陕西小麦品种改良过程中产量性状和养分利用特性及其生理响应机制

发布时间：2020-11-04 01:43

　　 本文利用长期施肥定位试验构建的不同土壤肥力梯度,研究陕西关中地区小麦品种改良过程中产量、产量构成因素、生育期生长动态、养分吸收转运和养分效率的变化,以期了解品种更替对土壤肥力水平的响应及生理机制,为今后品种选育提供参考。田间试验于2013-2015年进行,选取了1970到2005年间陕西关中地区发布的5个具有代表性的小麦品种,结合灌溉长期肥料定位试验的9个施肥处理和旱作长期肥料定位试验的2个施肥处理开展了上述研究。获得的主要结果及结论如下:小麦籽粒产量在不同肥力梯度的范围为0.9 t ha~(-1)到8.3 t ha~(-1),地上部生物量变化范围为2.3到18.2 t ha~(-1),收获指数变化范围为0.33到0.49。两年试验结果表明,产量在不同施肥(T)、不同品种(V)以及施肥与品种间交互作用(T×V)均表现出显著差异。而地上部生物量仅在不同施肥、品种与施肥交互作用差异显著。收获指数在不同品种及品种施肥间交互作用差异也显著。小麦品种改良进程中产量可塑性显著增加,表明育种使现代品种提高了在高投入条件下获得高产的能力。收获指数可塑性随着品种改良降低,表明同过去的品种相比,现代品种在不同资源投入环境中的收获指数均稳定。小麦所有产量要素在不同肥力水平、品种间均差异显著(除了第二季品种间穗数没有差异)。施肥处理与品种交互作用的显著影响在两个试验年度有所变异。品种改良显著提高了小麦单位面积粒数,1970至2005年间的年增长率为1.15·10~6 ha~(-1)。产量育种显著提高了单位面积粒数的表型可塑性,但单位面积穗数及穗粒数表型可塑性在此过程中没有变化。粒重在小麦品种更替过程中先降低后增加,转折点1989年,从1970到1989年间以0.72 mg每年的速率降低,其后以0.68 mg每年的速率增加。粒重表型可塑性在品种改良过程中无显著变化。小麦籽粒灌浆速率在品种更替过程中也表现先降低后增加的趋势,其转折点在1988年,表明1980年后发布的小麦品种,由于灌浆速率的提高使得粒重也相应提高。相关分析结果进一步说明可溶性糖转运量同粒重显著正相关,可溶性糖转运量与产量也显著正相关。可溶性糖转运量和转运率随着品种更替呈现先降低后增加。需要注意的是可溶性糖转运量主要是小麦茎秆中可溶性糖的转运。小麦品种改良过程中,开花期茎和穗可溶性糖含量均表现出先降低后升高的趋势,转折点在1982和1985年。同时开花期地上部生物量随着品种更替同样呈现先降低后增加,其中茎和穗的生物量在这一过程中的变化趋势同地上部相似,转折点都在1980年以后。这些表明1980年后发布的小麦品种,由于开花期地上部生物量(主要是茎和穗)和可溶性糖含量的同时提高,而提高了粒重和产量。在品种更替过程中叶面积指数(LAI)呈非线性增长趋势,从1983至2005年的年增长率为0.032,而LAI与单位面积粒数之比在1970-1997年间降低,之后保持不变。旗叶最大SPAD值随品种更替呈现先降低后升高,转折点在1986年,而LAI×SPAD也只在品种改良的后期呈现增加趋势。表明现代品种在一定程度上提高了源的强度。另外,在品种更替过程中旗叶衰老参数丙二醛含量(MDA)的速率常数和倍增时间分别表现为升高和降低的趋势;旗叶可溶性蛋白含量降低速率随着品种更替先降低后升高。但是品种改良显著增加了小麦花后的光合速率、蒸腾速率和气孔导度。这表明尽管品种改良使得旗叶在灌浆期内绿叶持续时间变短,更容易衰老,但光合性质却得到了一定程度的提升。主成分分析也表明在不同水分养分环境下,产量与小麦花后旗叶光合性质高度相关。品种改良过程中,产量以每年0.46%速率增加,而氮素和磷素地上部吸收量没有显著变化,氮素收获指数(NHI)也没有显著变化,而磷素收获指数(PHI)的年增长率为0.15%。因此,产量与地上部吸氮量之比、产量与地上部吸磷量之比同时以相似的速率增加(0.40%每年),而籽粒氮素和磷素浓度在此过程中持续下降,每年分别以0.47%和0.31%的速率降低。在此过程中氮素营养指数(NNI)没有显著变化。综上所述,陕西关中地区过去60年小麦品种改良进程中,产量和养分利用效率同步提高,这是育种和农艺两者之间的协同作用提高了小麦在高水肥投入水平下利用资源的能力。而在此过程中还伴随着单位面积粒数及其表型可塑性的显著增加。未来育种在提高产量的同时需要着重提高地上部生物量,并需要相应地提高地上部吸氮量来维持籽粒蛋白质含量。籽粒中磷浓度的稀释需要同时考虑植酸含量对人体营养的阻碍和保证作物种子萌发及生长所需磷素这两者之间的协调。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S512.1
【部分图文】：

田间试验于 2013-2015 在国家黄土肥力与肥料效益监测基地进行（Yang et al. 2011Yang et al. 2011b），该试验站位于黄土高原南部的陕西省杨凌国家农业高新技术产业示范区头道原（34°17′51″ N, 108° 00′48″ E, 534 m asl），占地 2.4 hm2。海拔 524.7 m，年均气温 13℃，年平均降水量 550～600 mm，主要集中在 7-9 三个月。供试土壤类型为塿土（土垫旱耕人为土）（FAO 2014），黄土母质，其中粘土占 32%，壤土占 52%，沙土占16%。本研究基于两个长期肥料定位试验，其中灌溉条件下小麦-玉米轮作长期定位试验始于 1980 年，雨养条件下冬小麦-夏休闲长期定位试验始于 1990 年。在这些试验处理中，土壤有机碳含量范围为 6.7-19.4 g kg-1（Yang et al. 2011a; Yang et al. 2011b）。冬小麦-夏休闲试验 1990 年开始时耕层土壤有机质含量为 10.92 g kg-1，全氮含量为 0.832 g kg-1全磷含量为 0.607 g kg-1，全钾含量为 2.28 g kg-1，碱解氮含量为 61.3 mg kg-1，速效磷含量为 9.57 mg kg-1，有效钾含量为 191 mg kg-1，缓效钾含量为 1189 mg kg-1，pH 为 8.62，容重为 1.30 Mg m-3，孔隙度为 49.63%，田间持水量为 21.12%。小麦-玉米轮作长期定位试验 1980 年开始时耕层土壤有机质含量为 11.81 g kg-1，全氮含量为 0.806 g kg-1，全磷含量为 0.787 g kg-1，碱解氮含量为 61.2 mg kg-1，速效磷含量为 15 mg kg-1，有效钾含量为 295 mg kg-1。

第三章 长期施肥条件下不同年代小麦品种产量、生物量及产量要素的变化3.1 结果分析3.1.1 籽粒产量两年试验结果均表明，产量在不同施肥处理、不同品种及其交互作用都表现出显差异（所有 p < 0.0001）（图 3-1）。考虑到产量数据为本研究的核心，同时由于本研究肥处理众多的特殊原因，在此特别列出小麦在旱作和灌溉条件下的最低和最高施肥处中的籽粒产量以及每个品种在所有处理中的产量平均值（表 3-1）。籽粒产量变化从 0.9ha-1（dControl, 1980 年品种）到 8.3 t ha-1（M2N2P2，2005 年品种）（表 3-1）。在最高分投入处理中（M2N2P2），产量随小麦品种的更替显著增加，年增长率为 0.55 ± 0.175（p = 0.0005），或 37 kg ha-1y-1（p = 0.03）。而在最低养分水分投入处理中（dControl产量没有呈现出随品种更替而增加的趋势（p > 0.61）。

图 3-2 2013-2014（A 和 B）及 2014-2015（C 和 D）季不同年代小麦品种在不同养分水分投入水平下的地上部生物量及收获指数Fig.3-2 Biomass and harvest index of winter wheat cultivars released in different decades under differentnutrient and water inputs in season 2013-2014 (A& B) and 2014-2015 (C & D)注：处理的名称在表 2-1 中列出。误差棒代表平均值标准误。处理间（T）、品种间（V）及处理同品种交互作用（TxV）的显著性分别用 p <0.05 *，p <0.01 **，p < 0.001 ***及 n.s.用 p > 0.05 表示。Note: Treatment codes are in Table 2-1. The error bars are two standard errors of the means. Significance of treatments (T),varieties (V) and interaction (TxV) is indicated as *, **, *** for p<0.05, p<0.01, p<0.001 and n.s. for p>0.05, respectively.
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本文编号：2869418